1. ま え が き
1．1 イットリウム（Y）系超電導線材 Y系超電導体は化学式RE1Ba2Cu3O（REは希土類）で表y される物質群であり，最初に発見された材料の希土類部 分の元素がイットリウム（Y）であったことから総じてY 系超電導体と呼ばれる．一般的な超電導体は磁場中で臨 界電流特性が大きく低下してしまうのに対し，Y系超電導 体は強磁場中でも高い臨界電流特性を維持することから 最も広範な応用に期待できる超電導材料として注目され ている． 当社で製造するY系超電導線材とその構造を図 1，2 に 示す．フレキシブルな金属テープの上に中間層，超電導 層，保護層，安定化層が順に積層された構造であり，高 い臨界電流を有することに加え，機械的な強度にも優れ ていることが特長である1）． 1．2 強磁場発生設備とその用途 昨今では，各種超電導線材の普及と超電導を利用する ための冷凍技術の発展により，さまざまな強磁場発生設 備が実現されているが，それらの中で最も多く稼働して いる機器は医療用のMRIである．MRIは磁気共鳴画像取 1 エネルギー技術研究部 2 エネルギー技術研究部次長（博士（工学）） 3 エネルギー技術研究部部長 4 超電導事業推進室製造部部長 5 超電導事業推進室品質保証部部長 6 超電導事業推進室副室長 先 端 技 術 総 合 研 究 所 五十嵐 光 則1 ・ 藤 田 真 司1 ・ 佐 藤 大 樹1 ・ 飯 島 康 裕2 直 江 邦 浩3 新規事業推進センター 永 田 雅 克4 ・ 舘 野 文 則5 ・ 大 保 雅 載6Y-based Coated Conductors for Applications Generating Strong
Magnetic Fields
M. Igarashi, S. Fujita, H. Sato, Y. Iijima, K. Naoe, M. Nagata,
F. Tateno, and M. Daibo
イットリウム系超電導線材は，強磁場中でも高い臨界電流特性を有することに加え，強度にも優れて いることから，従来材料では実現しなかった 20 T以上の磁場に耐える超電導マグネットを構成すること ができる．本稿では，その応用としての科学研究用強磁場実験設備や 1 GHz以上の共鳴周波数を用いる 超高分解能NMR装置等の簡単な紹介と，それら強磁場応用へ向けた当社のイットリウム系線材開発のア クティビティーについて報告する．Y -based coated conductors can be applied to the superconducting magnet with a magnetic field over 20 T which was not realized by conventional materials, due to their high critical current performance in strong magnet-ic fields and robust property in mechanmagnet-ical strength. In this report, applmagnet-ications for the strong magnetmagnet-ic fields, for example, nuclear magnetic resonance (NMR) instrument with extra-high resolution utilizing a resonance frequen-cy over 1 GHz are briefly introduced, and our recent R&D activities for those applications are also reported.
図 1 Y系超電導線材
Fig. 1. Photograph of Y-based coated conductor. 金属基板 中間層 超電導層 保護層 安定化相 絶縁テープ
得装置（Magnetic Resonance Imaging）の略称であり， 磁場中に置かれた原子が磁場強度と原子核スピンに応じ た特定の高周波を吸収・放出する核磁気共鳴現象を利用 した撮像装置である．脳や臓器など人体内部の精細な画 像が得られるため，現代の医療において欠かせない存在 となっている．現在のところ主要なMRIの磁場領域は 1.5 〜 3 Tであり，磁場の強さという観点からは強磁場発 生設備の中でも低〜中程度の領域であるが，高解像度化 を求めた更なる高磁場化や液体Heフリー化，コンパクト 化などの要求から高温超電導線材を用いたMRIの開発も 行われている． その一方で，強磁場マグネットやそれを利用した核磁 気共鳴分光装置（Nuclear Magnetic Resonance：NMR） などのようにMRIよりもさらに強い磁場が要求される機 器もある．図 3 に示すように，強磁場マグネットは“ボ ア”と呼ばれるマグネット内部の空間に静止強磁場を発 生させる装置であり，磁場中における物性研究や磁気科 学と呼ばれる磁場中での物質の挙動に着目した研究など に用いられる．特に 20 Tを超えるような強磁場マグネ 略語・専門用語リスト 略語･専門用語 正式表記 説 明
臨界電流 (Ic) Critical current 超電導状態で流すことのできる最大電流 テスラ (T) tesla 磁場の強さを表す単位．
永久磁石の中でも強い磁場を発するネオジム磁石でおよそ 0 . 5 T． 金属系超電導体 Metal superconductor NbTi や Nb3Sn などの金属からなる超電導体．超電導を発現する臨界温
度（Tc）が低いため，冷却には液体ヘリウム（He）が必要とされる． 高温超電導体 High Tc superconductor 銅酸化物からなる物質群で，超電導を発現する温度（臨界温度：Tc）が 液体窒素温度（77 K）を超える物質も多い．金属系超電導体に比べて劇 的に高い Tc を有することから高温超電導体と呼ばれる．代表的な物質と して Y 系超電導体や Bi 系超電導体がある． 臨界磁場 Critical field 超電導状態を維持することができる最大の磁場． 自己磁場（s.f.） Self field 導線に通電した際に自らを流れる電流によって生じる磁場．直線状の導 体であっても自己磁場はわずかではあるが自らに作用する． パンケーキ コイル pancake coil 導線を円形の巻枠に対して外周方向に重ねていくように巻線したコイル．巻線後の形態がパンケーキのようであることからこう呼ばれる．それに 対し，導線を螺旋状に巻線したコイルはソレノイドコイルと呼ばれる． 図 2 イットリウム系超電導線材の構造
Fig. 2. Structure of Y-based coated conductor. 絶縁層［ポリイミド］
金属基板［ハステロイ］ 安定化層［Cu］ 保護層［Ag］
超電導層［GdBa2Cu3Ox］
中間層［下からAl2O3，Y2O3，IBAD-MgO，CeO2］
図 3 超電導マグネットの構成例（フジクラ製）
Fig. 3. Photograph of superconducting magnet. ボア
冷凍機
ットは物性物理発展のため世界の国立研究所数か所で建 設が計画されている2）．他方のNMR装置はMRIと同様に 核磁気共鳴現象を利用した分析装置であり，主に有機化 合物の分子構造決定などに用いられる．核磁気共鳴自体 は感度の低い現象であり，磁場が強いほど分析の感度と 分解能が向上することからNMR装置では殊更に強い磁場 が要求される．なお，NMRの分野では慣習的に磁場の強 度（T） を そ れ に 比 例 す る 水 素 原 子 核 の 共 鳴 周 波 数 （MHz） で 表 す こ と が 多 く， そ の 関 係 は 2.35 Tが 100 MHzに相当する．最近では 1 GHz超（23.5 T）の 超高分解能NMR装置が実現されており，強磁場の効果に より 700 MHzのNMRに対して明らかに分解能が向上す ることが確かめられている3）． ところで，こういった 20 T超の磁場領域は金属系超 電導体の臨界磁場付近であるため，それら単体では実現 困難となる．そこで図 4 に示すように，低温領域におい て 20 Tよりはるかに高い臨界磁場を有する高温超電導 体のコイルを金属系超電導体コイルの内側に配した構造 がとられる．本構造の場合，内側のコイルは通電時に大 きな電磁力（フープ力）が加わるため，機械的強度にも 優れている必要があり，当社で製造しているようなY系 超電導線材はその点においても最適である． このような強磁場応用向けとして，当社においても 2013 年に東北大学金属材料研究所の「25 T無冷媒超電 導磁石システム」向けにY系超電導線材を受注した4）．以 下に強磁場応用向け線材開発の代表例として，本件を中 心にその要求性能と実際に作製した線材のばらつき，お よびそれらを使用したコイルの通電試験結果を紹介する．
2. 25T 無冷媒マグネット向けの線材
2．1 線材構造と寸法公差 本件における線材は，図 1 の安定化層において線材幅 方向の全周を覆う銅めっき構造を採用した．板状の対象 物にめっきを施した場合，一般的にエッジ部のめっきが 厚くなるドッグボーンと呼ばれる現象が生じる．ドッグ ボーンが生じると寸法公差の制御が困難になるため，め っき条件を工夫することで低減を試みた．最終的に完成 した銅めっき線材の断面写真を図 5 に示すが，幅方向両 端部と中央部で銅めっきの厚さが均一であることを確認 できた．また，図 6 には線材の幅と厚さを長手方向の全 長に亘って測定した一例を示す．コイルの設計には寸法 公差が重要であるが，幅は 5±0.1 mm，厚さは 120± 10 µmという規格に対し，それぞれを満たしていた． 図 4 高温超電導複合型マグネットの断面模式図Fig. 4. Schematic illustration of cross-sectinaol configulation of hybrid superconducting magnet with
High-Tc superconductor. 金属系超電導体のコイル 高温超電導体のコイル 磁場 図 5 銅めっき線材の断面写真 （a）（c）幅方向エッジ部（b）幅方向中央部 Fig. 5. Cross-sectional photographs of copper
plated wire.
（a）（c）Both edges across the width direction. （b）Center part across the width direction
銅めっき ハステロイ基板 100µm 100µm 100µm (a) (b) (c) 図 6 線材長手方向の寸法ばらつき（a）幅,（b）厚さ
Fig. 6. Longitudinal distribution of wire dimensions. （a）Width（b）Thickness. 120 115 110 105 125 130 135 140 100 0 20 40 60 80 100 120 140 Thickness（µm） Position（m） （ｂ） 4.80 4.90 5.00 5.10 5.20 5.30 4.70 0 20 40 60 80 100 120 140 Width（mm） Position（m） （a）
2．2 磁場中の臨界電流特性 本件での臨界電流の要求性能は，実使用環境である 20 K，15 Tにおいて 300 A/cmであった．そこで，まず 複数のサンプルに対し 20 K，15 T，および 77 Kのs.f.と 0.6 TでIcを測定し，それらを比較した．その結果，図 7 に示すように 77 K，s.f.と 20 K，15 TのIcは相関係数 R= 0.373 であったのに対し，77 K，0.6 Tと 20 K，15 T のIcはR= 0.847 と良い相関を示した5）．このことから， 社内で簡便に測定できる 77 K，0.6 TのIcから 20 K， 15 Tの特性をある程度推測できることがわかった．図 7 によれば 77 K，0.6 Tにおいて 150 A/cm以上であれば， マージンを持って 20 K，15 Tにおける要求性能を満たし ていたが，これは開発当初の標準的な線材性能よりやや 高い性能であった．そこで，超電導層の膜厚を厚くする ことを試みたところ，臨界電流は向上したが，図 8 に示 すように後述する機械特性が超電導層の膜厚とともに低 下する傾向が見られた．結果として，両者のバランスが 良い膜厚を狙って成膜する必要があり，試作を重ねて条 件を最適化した．図 9 には，今回開発した線材の中で 77.3 K，0.6 Tにおいて 150 A/cm（75 A / 5 mm-w）を 満たした線材のヒストグラムを示すが，Lot間の特性には ややばらつきがあるものの，述べ 140 Lot以上の線材が 要求性能を満たした． 2．3 機械特性 マグネットの内挿コイルには通電時に大きな電磁力 （フープ力）がかかるため，液体窒素中での引張強度を検 証した．図 10 には開発当初に作製した線材の引張強度 を示す．図の縦軸は引張負荷時のIcを負荷前のIc0 で規格 化しており，測定の誤差約 1 %を考慮してIc/Ic0 = 0.99 を劣化点とすると，このサンプルの引張強度は 790 MPa であり，要求性能を満たしていた．さらに線材の耐久性 を評価するために，引張歪約 0.45 %（本サンプルでは応 力に換算して約 729 MPa）を繰り返し 10000 回加えて Icの低下率を評価したところ，図 11 に示すように 10000 回の試験後においても劣化は見られなかった．前項で述 べたように，引張強度に影響を与える超電導層の膜厚も 制御しながら線材を製造し，得られた線材の引張強度を 図 7 20 K, 15 TにおけるIcと77 K, s.f. および 0.6 TにおけるIcの相関．図内Rは相関係数 Fig. 7. Ic at 20 K, 15 T（B // c）as a function of
Ic 77 K, s.f. or 77 K, 0.6 T（B // c）. The values of R in the graph are correlation coefficients.
77 K, 0.6 T R = 0.847 R = 0.37377 K, s.f. 600 300 500 200 100 0 400 0 200 400 600 800 c @20K，15T（A/cm） I c@77K（A/cm） I 図 8 超電導層の膜厚と機械強度の関係
Fig. 8. Relationship between a thickness of superconducting layer and a mechanical strength.
0.6 0.45 0.55 0.4 0.35 0.3 0.5 2 2.2 2.4 2.6 2.8
Irreversible strain for l
c
（％）
Thickness（µm）
図 9 25 Tマグネット向けに作製された線材の
77.3 K, 0.6 TにおけるIc値
Fig. 9. Histogram of Ic（77 K, 0.6 T） on developed wires for 25 T magnet. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Fre qu en cy 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 C I (A / 5 mm-w) 図 10 引張応力に対するIc低下率
Fig. 10. Ic degradation ratio against tensile stress for a typical sample. 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 0 200 400 600 800 1000 Tensile stress [MPa]
77 K, s.f. Loading Unloading / C I C0 I
評価した結果を図 12 に示す．合否基準を引張歪 0.45 % （応力に換算して 700 MPa前後）としたところ，およそ 90 %のサンプルが合格であった．
3．25 T 無冷媒マグネット内挿コイルの
評価結果
6，7） 25 T無冷媒マグネットは，内挿コイルが 138 A通電 時に 11 Tの磁場を発生し，外挿の金属超電導体コイル が発生する 14 Tと組み合わせることで中心ボアに 25 T の磁場を発生させる設計である． 耐フープ力を検証するため，当社で作製したY系線材 を用いて実機と同じサイズのシングルパンケーキコイル を 4 枚重ねたコイルを試作し，東北大において 11 Tバ ッ ク ア ッ プ 磁 場 中 に て 通 電 試 験 が 実 施 さ れ た． 最 大 192 A通電したところ，電圧 - 電流特性に異常は見られな かった．192 A通電時の最大フープ力は 391 MPaであり， 実機で想定される 387 MPa以上でも問題が生じないこと が確認された． その後，56 枚のシングルパンケーキコイルからなる実 機コイルが製作され，単体にて励磁試験が実施された． 中心磁場の計算値 10.5 Tに相当する 131.3 Aまで 1 時 間で励磁され，その時の実測値は 9.9 Tであった．その 後 132.6 A（計算値 10.61 T）まで電流が増加され，最終 的に実測値 10.15 Tが達成された．これは無冷媒冷却で のY系単体コイルの試験では現時点で最高の磁場である．4. む す び
強磁場応用向けとして東北大学金属材料研究所の 「25 T無冷媒超電導磁石システム」向けにY系超電導線 材を受注した．線材の安定化層には銅めっきを採用し， ドッグボーンなどを無くすことで線材寸法を厳密に制御 することに成功した．磁場中での臨界電流性能に関して は，実使用環境である 20 K，15 Tの特性と 77 K，0.6 T の特性に良い相関があることを示し，20 K，15 Tでの Ic> 300 A/cmという要求性能に対してマージンを持たせ た 77 K，0.6 TのIc> 150 A/cmという性能を実現した． 機械特性に関しては，液体窒素中での引張試験で引張強 度 700 MPa以上を確認し，この領域での繰り返し引張負 荷 10000 回に対しても劣化がないことを実証した． 今回当社で開発された線材はフープ力および実機試験 用にコイル化された．フープ力試験では 11 Tのバック アップ磁場中で通電され，最大 391 MPaのフープ力下に おいても正常な電流 - 電圧挙動を示した．56 枚のシングル パンケーキコイルからなる実機コイルの単体励磁試験で は，132.6 A通電時に磁場の実測値 10.15 Tが達成された． これは無冷媒冷却でのY系単体コイルの試験としては現 時点で最高の磁場である．参 考 文 献
1） 飯島：「Y 系超電導線材の高性能化と応用」，フジクラ技 報，第 123 号，pp120-124，2012 2） 淡路：「強磁場マグネット」，超電導 Web21，2014 年 6 月 号，pp.18-19，20143） K. Hashi， et al.: “Achievement of 1020 MHz NMR，” Vol.256， Journal of Magnetic Resonance， pp.30-33， 2015.
4） 飯島：「東北大学金属材料研究所 25 T 無冷媒マグネット
向け高温超電導線材受注」，フジクラ技報，第 126 号， pp70，2014
5） S. Fujita et al.: “In-field Critical Current Property of IBAD/PLD Coated Conductors，”J. Phys.: Conf. Ser. vol. 507， 022007， 2014
6） 宮崎ほか：「無冷媒 25 T 超伝導マグネット用 Y 系 HTS
コイルの試作開発と励磁試験」．第 92 回低温工学・超電 導学会 講演概要集 p.173， 2015
7） S. Awaji， et al.:“10 T generation by an Epoxy Impreg-nated GdBCO Insert Coil for the 25 T-cryogen-free Su-perconducting Magnet，”submitted to Supercond. Sci. Techn.
図 11 繰り返し引張負荷に対するIc低下率
Fig.11. Ic degradation ratio against repaeated cycle of tensile load. / C I C0 I 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1 10 100 1000 10000 Number of Load Cycles
77 K, s.f.
Loading stress 729 MPa
Loading Unloading
図 12 25 Tマグネット向けに作製された
線材におけるIc不可逆の引張歪 Fig.12. Histogram of Irreversible strain for
Ic on developed wires for the 25 T magnet. 0 5 10 0.39 5 0.40 5 0.41 5 0.42 5 0.43 5 0.44 5 0.45 5 0.46 5 0.47 5 0.48 5 0.49 5 0.50 5 15 20 25 30 Fre que nc y C I Irreversible strain for (%) Acceptance
